総落差200 m,ポンプ水車・発電電動機1 台よりなる揚水発電所がある。揚水時・発電時共に流量は100 ㎥/s,損失水頭…
電力 第2問
総落差200 m,ポンプ水車・発電電動機1 台よりなる揚水発電所がある。揚水時・発電時共に流量は100 ㎥/s,損失水頭は揚水・発電共に総落差の2.5 %,ポンプ効率・水車効率共に85 %,発電効率・電動機効率共に98 %とし,損失水頭及び上記4 種の効率は,揚程,落差,出力,入力の変化によらず一定とする。揚水時の電動機入力[MW]と,発電時の発電機出力[MW]の組合せとして,最も近いものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。
- (1)電動機入力[MW]: 235 発電機出力[MW]: 163
- (2)電動機入力[MW]: 235 発電機出力[MW]: 159
- (3)電動機入力[MW]: 241 発電機出力[MW]: 163
- (4)電動機入力[MW]: 241 発電機出力[MW]: 159
- (5)電動機入力[MW]: 229 発電機出力[MW]: 167
正答 (4)
正答は (4)。
【損失水頭を求める】
損失水頭は総落差の2.5パーセントなので
損失水頭 = 200 × 0.025
= 5 [m]
揚水するときは、総落差200m に加えて損失分も押し上げなければならないので全揚程は大きくなり、発電するときは損失分だけ使える落差が減ります。
揚水時の全揚程 = 200 + 5 = 205 [m]
発電時の有効落差 = 200 - 5 = 195 [m]
この符号の向きが本問の中心です。
【揚水時の電動機入力】
まず、水を押し上げるために必要な仕事率(理論水動力)を求めます。水の密度を1立方メートル当たり1000kg として
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P0 = 1000 × 9.8 × Q × H
= 1000 × 9.8 × 100 × 205
= 980000 × 205
= 200900000 [W]
= 200.9 [MW]
この動力をポンプが出すためには、ポンプ効率と電動機効率で順に割り戻します。
電動機入力 = 200.9 ÷ (0.85 × 0.98)
= 200.9 ÷ 0.833
= 241.2 [MW]
【発電時の発電機出力】
有効落差195m の水が持つ仕事率は
P0 = 1000 × 9.8 × 100 × 195
= 980000 × 195
= 191100000 [W]
= 191.1 [MW]
これに水車効率と発電機効率を順に掛けます。
発電機出力 = 191.1 × 0.85 × 0.98
= 191.1 × 0.833
= 159.2 [MW]
【結論】
電動機入力241MW、発電機出力159MW の組合せをもつ (4) が正答です。
【検算と総合効率】
揚水に241.2MW を使い、発電で159.2MW を得たので、往復の総合効率は
159.2 ÷ 241.2 = 0.660
すなわち約66パーセントです。揚水発電所の総合効率は一般に70パーセント前後といわれますから、妥当な値だと確かめられます。
【間違えやすい点】
最大の落とし穴は、損失水頭を足すのか引くのかです。揚水時は水に逆らって押し上げるので損失分を足し、発電時は使える落差が減るので引く、と押さえてください。もう一つは効率の扱いです。入力を求めるときは割る、出力を求めるときは掛ける、という向きです。両方を取り違えると、選択肢(5)のような値になります。
出典:令和6年度上期第三種電気主任技術者 電力科目 問2(一般財団法人 電気技術者試験センター 公表)出典元ページ
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